В журнале Lab on a Chip появилась статья группы физиков под руководством Ольги Виноградовой, в которой предложен новый метод для разделения микрочастиц в тонких каналах. Среди множества работ из этой же области новый подход выделяется тем, что использует супергидрофобные поверхности. Эти системы за последние десятилетия завоевали пристальное внимание теоретиков, но редко встречались в экспериментальных работах — особенно связанных с поведением частиц. В новой работе удалось совместить теорию с практикой и к тому же достигнуть результатов, недоступных для других аналогичных методов.

Рис. 1. Принцип разделения микрочастиц. Жидкость в канале движется в направлении, указанном стрелкой. Нижняя стенка канала представляет собой супергидрофобную текстуру и обеспечивает изменение направления тока жидкости в непосредственной близости от этой стенки. Частицы разных размеров (зеленый и красный шарики) с разной скоростью опускаются вниз: более крупные и тяжелые частицы опускаются быстрее. Поэтому на них возникающий у нижней стенки снос действует дольше

Методы разделения (или фракционирования) микро- и наночастиц становятся всё более и более востребованными. В современных исследованиях, будь то коллоидный синтез или анализ биологических проб, всё чаще бывает необходимо разделить частицы по размерам, форме, механическим или каким-либо другим свойствам.

Например, один из ранних методов диагностирования рака предполагает мониторинг раковых клеток, циркулирующих в крови пациента. Эти клетки являются фрагментами опухоли, которые вымылись в основной кровоток. Проблема в том, что простого обнаружения клеток в крови оказывается мало: нужно также знать их точную концентрацию, а в идеальном случае — выделить эти клетки в чистом виде для дальнейшего анализа.

Существует ряд иммунохимических методов, позволяющих проводить количественное разделение раковых клеток и, к примеру, лейкоцитов. В этом случае клетки опухоли помечают специфическими антителами, которые служат метками для последующего выделения. Однако этот метод может повлиять на химический состав клетки, изменить ее биологические свойства, что в дальнейшем сделает невозможным или напрасным ее анализ.

Для преодоления этих недостатков созданы «мягкие» методы фракционирования, которые никак не изменяют частицы во время разделения. Большинство методов из этого класса основаны на гидродинамических эффектах. В таких подходах частицы разделяются благодаря тому, что они оказываются в участках жидкости с разным характером течения. Важным преимуществом этих методов является то, что они не затрагивают химический состав разделяемых частиц, а используют лишь их механические свойства.

Среди гидродинамических методов наиболее распространено инерционное разделение (см.: D. Di Carlo, 2009. Inertial microfluidics) и фракционирование во внешних полях (Field flow fractionation, см. также: T. Kowalkowski et al., 2007. Field-Flow Fractionation: Theory, Techniques, Applications and the Challenges). В первом случае частицы делятся по вертикальной координате из-за инерционной подъемной силы, возникающей при течении жидкости с большой скоростью. Во втором случае разделение происходит из-за того, что внешнее поле (гравитационное, электрическое или магнитное), действуя с разной силой на частицы разного размера, вовлекает их в участки течения с разной скоростью. В итоге разделение частиц происходит или по вертикали, но с небольшим разрешением (см.: N. Pamme, 2007. Continuous flow separations in microfluidic devices), или по времени, что делает невозможным непрерывное поточное фракционирование — частицы нужно разделять «порциями».

Но для обоих упомянутых методов из-за небольшого разрешения, близкого к размеру частиц, нужны дополнительные методы, усиливающие основной эффект. Например, этого можно добиваться за счет особой геометрии стенок, поворотов канала, наличия выступов и бороздок и так далее. Присутствие таких особенностей затрудняет теоретическое описание системы, поэтому зачастую методы, основанные на фракционировании во внешних полях, являются полуэмпирическими и применимыми только к отдельным классам разделяемых частиц.

В Лаборатории физикохимии модифицированных поверхностей (ИФХЭ РАН) под руководством профессора Ольги Виноградовой разработали новый подход к фракционированию, сочетающий в себе сразу два преимущества: во-первых, он позволяет разделять частицы поперек потока, что резко упрощает их дальнейший сбор по фракциям, а во-вторых, метод удалось полностью описать теоретически, что исключает элемент «подбора» и позволяет точно рассчитывать параметры установки и эксперимента.

В основе предложенной методики лежит использование супергидрофобных структур в качестве материала для одной из стенок канала. Эти структуры известны прежде всего тем, что позволяют существенно снизить вязкое сопротивление при прокачке жидкости через тонкие каналы. Подобный эффект достигается за счет чередования участков твердых стенок и полостей, заполненные газом, на которых жидкость проскальзывает практически без трения.

Оказалось, что направленная структура газовых полостей («полосатая» текстура или «страйпы») позволяет не только снизить вязкое сопротивление, но и управлять направлением и характером течения вблизи стенки. Так, если полосатую текстуру повернуть под углом 45° к основному направлению канала, жидкость вблизи поверхности будет поворачиваться вдоль полосок, и общий поток в канале будет представлять собой спираль.

Если на входе в канал запускать смесь частиц разного размера, под действием силы тяжести они начнут оседать с разной скоростью. Чем больше частица, тем быстрее она осядет: сила тяжести пропорциональна объему (то есть радиусу в третьей степени), а сила сопротивления — радиусу (в первой степени). Чем быстрее частица приблизится к нижней стенке, тем раньше она начнет поворачивать в направлении полосок из-за особенностей течения.

При наблюдении за частицами в конце канала оказалось, что крупные частицы сносились гораздо дальше в сторону, чем мелкие (рис. 1). Разброс составлял до нескольких десятков микрон, тогда как радиусы частиц лежали в диапазоне от одного до пяти микрон. Простым разветвлением канала в конце можно было добиться эффективного фракционирования частиц по размерам.

В оригинальной публикации было приведено теоретическое описание изложенного эффекта, а также результаты его экспериментальной проверки. Авторам удалось добиться разделения частиц, отличающихся по радиусу всего на 0,5 микрона.

Предложенный метод может стать очередным важным шагом в развитии микрофлюидики — области, стремящейся к созданию миниатюрных устройств, сочетающих в себе функции компьютера, а также синтетической и клинической лабораторий. В будущем, если все пойдет хорошо, «лаборатория на чипе» с функцией выделения, к примеру, раковых клеток может оказаться реальностью.

Источник: E. S. Asmolov, A. L. Dubov, T. V. Nizkaya, A. J. C. Kuehne, O. I. Vinogradova. Principles of transverse flow fractionation of microparticles in superhydrophobic channels // Lab on a Chip. 2015. V. 15. P. 2835–2841.

См. также: P. Sajeesh and A. K. Sen. Particle separation and sorting in microfluidic devices: a review // Microfluidics and Nanofluidics. 2014. V. 17. P. 1–52.

Автор: Тарас Молотилин